[科普中国]-风车式水轮机

在浅海、海峡、海湾或河口一带，涨潮与退潮会引起较强的潮流，水流速度较高，可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，方法类似于风力发电机，称之为潮流发电机，由于这种水轮机外形如风车，也叫风车式水轮机。风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电，比较典型的的是采用与水平轴风力机相似的结构与原理。

机构介绍潮流能发电装置主要分为两种形式，根据潮流流向与装置转动轴的位置关系，潮流能获能装置可以分为水平轴水轮机和垂直轴水轮机。水平轴水轮机转轴与流向平行，最早在风车中使用，利用叶片截面翼型的升力效应，产生推动叶片旋转的力矩，把叶片的旋转动能转变为发电机电能。水平轴水轮机由于其结构特性，运行平稳，稳定性较好，有较高的效率；垂直轴水轮机转轴与流向垂直，原理与水平轴水轮机相似，可适应不同来流方向的水流，自适应强。1

类型特点敞水型水平轴桨叶潮流发电装置如图是一种潮汐动能发电机示意图，与顺风式风力机工作原理相同，也叫桨叶式潮流发电机。转轮的叶片与风力机类似，由于水的密度约为空气的800多倍，相同功率下的叶片面积与长度可大大缩小，不过潮汐水流速一般没有风速快。叶轮通过增速齿轮箱与发电机连接，一同安装在机舱内，机舱安装在支柱上，可绕支柱旋转，支柱固定在海底,属坐底式安装。水流推动叶轮旋转，并保持叶轮面与水流方向垂直。由于叶轮在敞开的水中旋转，属敞水式结构。

桨叶式潮流发电机可安装多个组成潮流发电站，右图是六个桨叶式潮流发电机的水下模拟图。

桨叶式潮流发电机在国外已有成功的产品，比较典型的是英国研制的一种桨叶式潮流发电机，为“SeaGen”，形似倒置的风车，由一对涡轮组成，每个涡轮直径20米，容量1200千瓦。涡轮安装在柱桩上，柱桩固定在海底。如图是该潮流发电机的图片。

扩张型涡轮潮流发电装置把叶轮安装在水平扩张导流管内，扩张导流管在风力机中称为扩散器，利用导流管对水流进行加速，可明显提高叶轮的输出功率。叶轮由多个叶片组成，这是一种导流管增速涡轮机结构，或称为导流管增速水轮机，如图。

图中浅蓝色箭头线表示水流走向，水流推动发电机发电，涡轮机采用双向对称结构，反方向水流同样推动发电机发电，适用于潮流发电。导流管增速涡轮发电机可安装多个组成潮流发电站。

导管涡轮式潮流发电机在国外也有成功的产品，图6是在加拿大已商业化应用的涡轮发电机，机组功率1000千瓦，重400吨。从图中看这是直驱式导管涡轮发电机，直驱发电机的定子安装在导管内壁，发电机转子安装在转轮叶片的外缘。

潮流发电机一般直接固定在海底，可避免台风的破坏，也可采用漂浮式结构。利用潮流前进的动能来推动水轮机发电不用建堤坝与相关设施，投资少，不影响生态环境，但涡轮的面积比起潮流的截面是很微小的，所以对整个潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要形成足够的水流速度来保证发电量。

发展前景潮流能作为一种储量丰富、无污染、低能耗的新能源已被我国列为战略性新能源。

据专家介绍，当前潮流能的度电成本还不能完全估计，目前海洋能的度电成本大约为2元，但是除去陆电供应时铺设电缆的高额成本，预计可将海岛居民度电价格控制到1元左右。根据目前海洋能发电装置的规模应用技术的发展情况来看，预计到2020年，我国将可能具备10MW以上的发电机，届时海洋能度电成本将可以降低到2元以下;而到2050年，整个度电成本有望降到1元以下。这不仅让海洋能的度电成本无限接近于“陆电”的价格，而且将最终促成海洋能产业化的形成。

我国的潮流能项目起步较晚，其中制约因素是科研和设计水平，与潮流能装置相关的基础理论、物理模型试验和工程技术应用等研究也同国外存在着较大的差距，在工程应用等领域的研究甚至是空白。这些差距受到水轮机组成本、制造加工、运输安装等方面的制约，这都将使我国潮流能水轮机组的研究和制造能力日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国潮流能事业的发展。风力发电的今天就是潮流能发电的明天，潮流能水轮机的工程化应用较风力发电成本高、难度大，但是势在必行。2

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学